脱水生活污泥与秸秆厌氧干发酵工艺参数优化研究

李 想，王 飞，王久臣，王 超，林 聪，赵立欣，姚宗路

(1.农业部农业废弃物能源化重点实验室，北京 100125；2.农业部农业生态与资源保护总站，北京 100125；3.中国农业大学，北京 100083)



脱水生活污泥与秸秆厌氧干发酵工艺参数优化研究

李 想1，2，王 飞2，王久臣2，王 超2，林 聪3，赵立欣1，姚宗路1

(1.农业部农业废弃物能源化重点实验室，北京 100125；2.农业部农业生态与资源保护总站，北京 100125；3.中国农业大学，北京 100083)

该研究针对目前生活污泥环境污染、资源化利用率低的现状，结合生活污泥高有机质、高氮低碳的原料特征，开展脱水生活污泥与玉米秸秆的混合厌氧干发酵研究，探讨C/N,接种量对厌氧干发酵的影响及其产气规律。试验结果表明：生活污泥与玉米秸秆厌氧干发酵较优的工艺C/N为25，接种量30%，含水率20%，中温35℃，发酵周期30 d，其干物质产气率为193.22 mL·g-1TS，发酵剩余物的重金属含量和养分含量符合《城市垃圾农用控制标准值》(GB8172)要求，实现了脱水生活污泥的无害化处理与资源化利用。

脱水生活污泥；玉米秸秆；厌氧干发酵；沼气

随着我国城市化进程的加快，全国城市生活污水处理厂年产生污泥约2200万t[1]。生活污泥主要组分是蛋白质、多糖等有机物，同时还含有大量的氮、磷等富营养化元素以及重金属、病原物生物等有害物质，若不进行无害化处理会造成严重的环境污染[2-3]。我国是农业生产大国，农作物秸秆资源量约9亿t，可收集利用量约8亿t，2013年秸秆综合利用率为78%，约有2亿t秸秆尚未处理[4]。秸秆露天焚烧，不仅对空气质量、道路交通安全造成严重威胁，同时也是资源的一种浪费。然而将生活污泥、秸秆进行联合处理，利用厌氧干发酵技术实现沼气肥料联产，对于保护生态环境、缓解能源供求紧张以及促进农业的可持续发展都具有重要意义。

厌氧干发酵的原料浓度一般在17%以上，培养基呈固态，虽然含水丰富，但没有或仅有少量自由流动水，是固体有机物的处理方法[5-7]。已有对脱水生活污泥、作物秸秆单一原料厌氧干发酵进行的一些研究，如：谢震震[8]等对脱水污泥在干发酵过程初期的生物降解规律进行了研究；冷成保[9]等对生活垃圾干发酵进行了研究；武少菁[10]等对秸秆干发酵产沼气技术进行了概述和展望；魏世清[11]等对玉米秸秆干发酵产沼气进行了试验研究等。但对脱水生活污泥与玉米秸秆混合发酵原料联合厌氧干发酵的研究报道较少。笔者通过富氮原料脱水污泥和富碳原料玉米秸秆联合厌氧发酵，发挥碳、氮的相互协同作用，提升厌氧干发酵的产气效果，主要探讨脱水生活污泥与秸秆的配比以及接种量对产气效果的影响，优化厌氧干发酵工艺参数，以及脱水生活污泥与秸秆厌氧联合干发酵剩余物制肥的可行性。

1 试验材料与方法

1.1 试验原料

选取脱水生活污泥、玉米秸秆为试验原料，沼渣作为接种物。其中：脱水生活污泥取自北京市大兴区北伐顿村污泥处置厂，玉米秸秆取自北京市大兴区长子营镇，沼渣取自北京市大兴区留民营村沼气站。发酵原料及接种物的物理化学特性如表1所示。

表1 试验原料的物理和化学特性 (%)

1.2 试验装置

以500 mL广口瓶作为厌氧干发酵反应器，采用恒温水浴锅作为加温装置，将厌氧干发酵温度控制在35℃左右。采用排水集气法收集测量沼气产生量，以1000 mL广口瓶作为集气瓶。试验装置示意图见图1。

1.恒温水浴锅；2.反应瓶；3.导气管；4.开关；5.三通；6.集气瓶；7.导水管；8.量筒图1 产气潜力反应装置

1.3 试验安排

生活污泥与秸秆不同配比联合厌氧干发酵试验，发酵温度为35℃，沼渣接种量为20%。共设置了4个处理组，每个处理组设3个重复，调节控制干发酵原料的C/N。即纯脱水生活污泥(Ⅰ)、脱水生活污泥与秸秆C/N=15(Ⅱ)、脱水生活污泥与秸秆C/N=25(Ⅲ)、脱水生活污泥与秸秆C/N=35(Ⅳ)，发酵周期为30 d。

接种量对污泥与秸秆联合厌氧干发酵产气量影响试验，选取上述试验中生活污泥与秸秆C/N为25,干物质含量20%左右的工艺条件，控制厌氧消化温度为35℃。试验设置4个处理组，每个处理组3个重复，接种量分别取10%(R1)，15%(R2)，20%(R3)和30%(R4)发酵周期30 d。

1.4 测试指标及方法[12]

发酵物料：总固体(TS)、烘干法；挥发性固体(VS)，减量法(550℃～600℃烧3 h)；总碳，k2Cr2O7-外热源法；全氮，H2SO4-水杨酸-混合盐消煮法；全磷，H2SO4-HNO3消煮-钒钼黄比色法；全钾，H2SO4-HNO3消煮-火焰光度法；铅、铬、镉、汞、砷，原子吸收分光光度法[16]。沼气：沼气量，排水集气法。

2 结果与分析

2.1 生活污泥与秸秆不同配比联合厌氧干发酵产气效果分析

在脱水生活污泥(Ⅰ)、脱水生活污泥与秸秆C/N=15(Ⅱ)、脱水生活污泥与秸秆C/N=25(Ⅲ)、脱水生活污泥与秸秆C/N=35(Ⅳ)、沼渣接种量均为20%的情况下，厌氧消化过程均启动正常。在厌氧消化过程进行2 d时，可以点燃发出蓝色火苗，说明沼气中甲烷的含量已达到50%以上，试验配比Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ具有相似的产气规律，其最高日产气量分别为233 mL，312 mL，509 mL，490 mL。通过对厌氧消化过程pH值的监测，基本维持在6.5～7.3，未出现酸化导致产气停止的情况。

图2反映了上述4种配比下的日产气量变化趋势。从图中可以看出最高日产气量均在发酵的前15 d内，试验配比Ⅱ的产气效果在前10 d明显优于配比Ⅰ，Ⅲ,Ⅳ，试验配比Ⅲ的产气效果在前10 d又优于配比Ⅰ和Ⅳ，说明厌氧消化原料的C/N对产气量有很大的影响。

图2 不同原料配比下的日产气量变化趋势

图3反映了在30 d的发酵周期内不同配比下的累积产气量，从整个发酵周期来看，试验配比Ⅲ的累积产气量为5333 mL，产气效果最好；试验配比Ⅱ的累积产气量为4874 mL，产气效果次之；试验配比Ⅳ的累积产气量为4170 mL，产气效果第三；试验配比Ⅰ的累积产气量仅为3658 mL，累积产气量最低。脱水生活污泥与秸秆C/N=25(Ⅲ)累积产气量比纯脱水生活污泥(Ⅰ)提高了45.79%，再次说明了添加外加碳源(秸秆)对提高污泥的厌氧消化能力，提高产气量是必要的。

图3 不同原料配比下的累积产气量

消化原料的干物质产气率是衡量物能转化的一个重要参数。经测算，试验配比Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ的干物质产气率分别为101.60 mL·g-1TS，135.40 mL·g-1TS，148.14 mL·g-1TS和115.83 mL·g-1TS，如图4所示。可以看出脱水生活污泥与秸秆混合发酵在C/N为15，25，35的情况下，分别比脱水生活污泥单一原料发酵的干物质产气率提高了33.26%，45.80%，14.00%。由此可见，添加秸秆对生活污泥的C/N进行调节，可以提高其产气效果。结果表明，脱水生活污泥与秸秆联合厌氧干发酵较优的C/N为25，过高或过低的C/N都会影响厌氧干发酵的产气效果。

图4 不同原料配比下的干物质产气率

2.2 接种量对产气效果的影响

在生活污泥与秸秆混合原料C/N为25，干物质含量20%左右、发酵周期30 d的中温工艺条件下，研究了不同接种量10%，15%，20%，30%对产气效果的影响。与前述实验相同，在厌氧消化过程进行两天时，4个试验组的产气均可以点燃发出蓝色火苗，说明4种不同接种量的厌氧消化过程均启动成功。通过对厌氧消化过程pH值的监测，基本维持在6.5～7.2，未出现酸化导致产气停止的情况。

从图5可以看出，接种量(30%)较大的试验组启动快，而且产气高峰出现的时间早，特别是厌氧消化过程的前期产气量明显高于其它各组，而接种量(10%)较小的试验组，一直处于较低的产气量，整个厌氧消化过程显示出接种量的严重不足。

图5 不同接种量条件下的日产气量变化趋势

图6反映出4种不同接种量时的累积产气量，从图中可以看出，接种量为10%，15%，20%，30%时30 d内的总产气量分别为4677 mL，5225 mL，5333 mL和6956 mL，在整个发酵周期内，接种量为30%的试验组的产气效果最好，接种量为10%的试验组的产气效果最差。接种量的多少不仅影响到厌氧消化系统的启动，同时也影响整个厌氧干发酵过程的总产气量，因为即使在消化器内部环境条件适宜的情况下，甲烷菌的富集也需要一定时间。

图6 不同接种量条件下的累积产气量变化趋势

图7反映出4种不同接种量时消化原料的干物质产气率，接种量为10%，15%，20%，30%时干物质产气率分别为129.92 mL·g-1TS，145.14 mL·g-1TS，148.14 mL·g-1TS和193.22 mL·g-1TS，可以看出接种量为30%时的干物质产气率最高，接种量为10%时的干物质产气率最低，随着接种量的增加，产气量随之增加，物能转化率也随之增加。经测算，接种量30%，20%，15%分别比10%的接种量干物质产气率提高了11.72%，14.03%，48.73%，较优的接种量为30%。

图7 不同接种量条件下的干物质产气率

2.3 厌氧消化后剩余污泥成分分析

取脱水生活污泥与玉米秸秆C/N为25，接种量30%，含水率20%左右，中温35℃，厌氧消化30 d后的剩余污泥进行了重金属含量和营养成分测试，测试结果详见表4。从表4的测试结果可以看出，脱水生活污泥与玉米秸秆厌氧干发酵后的总铅、总镉、总铬、总砷、总汞等重金属指标均低于标准《城市垃圾农用控制标准(GB8172)》限值，有机质、总氮、总磷、总钾含量高于标准《城市垃圾农用控制标准(GB8172)》限值，发酵后的剩余物不仅具有肥料的营养成分，而且重金属没有超标，完全可以农用。测试结果表明采用污泥与秸秆联合干发酵工艺，可以实现脱水生活污泥的无害化处理与资源化利用。

表4 厌氧消化后剩余污泥成分测试结果

3 结论

通过对脱水生活污泥与玉米秸秆联合原料厌氧干发酵的配比、接种量对产气效果的影响以及工艺参数优化研究，主要得到如下结论：

(1)添加秸秆对生活污泥的C/N进行调节，可以提高其产气效果。在脱水生活污泥与秸秆混合发酵在C/N为15，25，35的情况下，分别比脱水生活污泥单一原料发酵的干物质产气率提高了33.26%,45.80%,14.00%，脱水生活污泥与秸秆混合发酵较优的C/N为25。

(2)随着接种量的增加，产气效果越来越好。在生活污泥与秸秆混合原料C/N为25，干物质含量20%左右、发酵周期30 d的中温工艺条件下，接种量30%，20%，15%分别比10%的接种量干物质产气率提高了11.72%，14.03%，48.73%，较优的接种量为30%。

(3)生活污泥与玉米秸秆混合原料厌氧干发酵较优的工艺参数为C/N 25，接种量30%，含水率20%左右，中温35℃，发酵周期30 d，其干物质产气率为193.22 mL·g-1TS。

(4)生活污泥与玉米秸秆在C/N为25，接种量30%的工艺条件下，经过30 d的厌氧干发酵，发酵剩余物中的重金属含量和养分含量符合《城市垃圾农用控制标准值》(GB8172)要求，可实现脱水生活污泥的无害化处理与资源化利用。

[1] 蔡伟梅.城市污水厂污泥特性及综合利用分析—以深圳佛山广州三市为例[J].资源节约与环保，2013(6):30-31.

[2] 台明青，贾东方，张丽莉.城市污泥厌氧消化处理研究进展[J].中国资源综合利用，2006，24(12):21-24.

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[13] GB 8172-1987，中华人民共和国国家标准-城镇垃圾农用控制标准[S].

Optimization of Co-digestion of Sludge and Straw Adopting Dry Anaerobic Process/

LI Xiang1，2，WANG Fei2，WANG Jiu-chen2，WANG Chao2，LIN Cong3，ZHAO Li-xin1，YAO Zong-lu1/

(1.Key Laboratory of Energy of Agricultural Waste,Ministry of Agriculture,Beijing 100125,China; 2.Rural Energy& Environment Agency,Ministry of Agriculture,Beijing 100125,China; 3.China Agriculture University,Beijing 100083,China)

Sludge had the characteristic of high organic matter,high-carbon and low-nitrogen.Mixed anaerobic fermentation of dewatered sludge and corn straw was carried out to investigate the influence of C/N and inoculum size on biogas production.The results showed that the parameters for optimized process were C/N of 25,inoculation of 30%,moisture content of 20%,temperature of 35℃ and fermentation period of 30 days.Its TS gas production rate was 193.22 mL·g-1TS.The heavy metal and nutrient content of fermentation residue met the requirement for urban trash standard used in agricultural (GB8172),and achieved harmless treating and resource utilization for dewatered sludge.

dewatered sludge; corn stalks; dry anaerobic fermentation; biogas

2015-10-23

2016-03-17

项目来源：农业部农业废弃物能源化重点实验室开放课题

李 想(1982-)，男，工程师，主要从事农村能源环保政策与技术研究工作，E-mail：zuu_3@163.com

王 飞，E-mail：13811227510@139.com

S216.4; X703; X71

A

1000-1166(2016)03-0020-04